葉思沂 副教授

航空太空工程學系

雞羽毛，真的只是廢棄物嗎？

你是否曾經想過，炸雞店裡被丟棄的雞羽毛，也能成為清潔能源的一部分？每年，全球食品加工業生產超過 4000 萬噸的雞羽毛廢棄物，大多數最終進入掩埋場或被焚燒，釋放二氧化碳和有毒氣體，進一步加劇環境污染。然而，瑞士聯邦理工學院（ETH Zurich）與新加坡南洋理工大學（NTU）的研究團隊，卻發現這些看似無用的羽毛，蘊藏著改變能源未來的巨大潛力。他們透過一項突破性的技術，成功將雞羽毛轉化為燃料電池的核心部件，讓廢棄物成為清潔能源的一環。這項技術的核心在於角蛋白（Keratin），這是一種存在於羽毛、毛髮、指甲等生物組織中的堅韌蛋白質。研究團隊發現，透過特殊的處理方式，可以將角蛋白轉化為一種新型質子交換膜（PEM），應用於燃料電池中，替代昂貴且環境不友善的傳統材料，實現低成本、可再生的能源解決方案。

燃料電池：未來能源的關鍵技術

在我們進一步探討這項研究之前，先來了解燃料電池是什麼。燃料電池是一種透過氫氣與氧氣反應，直接產生電能的技術，不僅效率高，且無二氧化碳排放，是新能源發展的關鍵之一。燃料電池的核心組件之一是質子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM），這層膜允許氫氣中的質子通過，驅動電子在外部電路產生電流，從而發電。現今市場上的 PEM 主要使用 Nafion（全氟磺酸膜）等氟化化合物製造，雖然性能優異，但成本高昂，且難以生物降解，對環境造成潛在危害。因此，如何尋找低成本、可再生、環保的替代材料，成為燃料電池技術發展的重要課題。這也正是 ETH 與 NTU 團隊此次研究的核心目標——利用雞羽毛中的角蛋白，製造可生物降解的燃料電池膜，取代現有昂貴且污染環境的 Nafion 膜。

從雞羽毛到燃料電池膜：關鍵技術揭秘

1. 角蛋白的提取與轉化

雞羽毛的主要成分是角蛋白（Keratin），這是一種含有大量二硫鍵（S-S）的堅韌蛋白質，使其難以自然分解。但研究團隊透過特殊的處理技術，成功將角蛋白轉化為類澱粉纖維（amyloid fibrils），這是一種超細纖維，擁有優異的機械強度與穩定性。這種類澱粉纖維能夠在微觀結構上形成高度有序的奈米孔結構，使其具備良好的離子傳輸能力。此外，角蛋白分子中的羧基（-COOH）和胺基（-NH2）提供了與水分子的相互作用能力，進一步提升了其作為質子交換膜的潛力。

2. 製造可導電的質子交換膜

接下來，研究人員將這些角蛋白纖維製作成奈米多孔結構的質子交換膜（Keratin-M）。這種新型膜具有以下特性：

• 高質子傳導性：實驗結果顯示，角蛋白膜的質子導電率可達 6.3 mS/cm，某些條件下甚至可達 22.8 mS/cm，與傳統 Nafion 膜相當。
• 高機械強度：確保燃料電池在不同環境下穩定運行。
• 可生物降解：與 Nafion 不同，角蛋白膜可自然分解，降低環境負擔。
• 低成本：由於雞羽毛是一種低價或免費的副產物，這項技術具有極高的經濟價值。

研究人員也進一步探討了角蛋白膜的製造方法，發現透過不同的交聯技術，可以調整其柔韌性與質子傳導能力，使其適用於不同類型的燃料電池應用。

3. 測試與應用：讓雞羽毛發電！

最後，研究團隊將 Keratin-M 膜應用於燃料電池，並成功產生25 mW/cm² 的功率密度，這足以驅動 LED 燈、風扇，甚至是小型燃料電池車！此外，這種膜還能應用於水電解技術（electrolysis），幫助高效分解水產生氫氣，進一步拓展其在氫能系統中的潛力。

廢棄物如何改變未來能源？

這項研究不僅展示了廢棄物回收與新能源技術的完美結合，更提供了一種可能替代 Nafion 膜的環保解決方案。未來，若能進一步提升這種生物膜的導電性與穩定性，降低量產成本，這項技術有望推動燃料電池的商業化普及。此外，這種技術概念也可應用於其他領域，例如微流體燃料電池、超級電容器、柔性儲能裝置等。透過不同的角蛋白改質方式，未來可能開發出更多基於生物廢棄物的高性能能源材料。這項研究提醒我們，許多被視為垃圾的廢棄物，實際上蘊藏著改變未來的潛力。雞羽毛不再只是餐桌上的副產品，而可能成為我們未來綠色能源革命的重要推手。

下一次當你看到雞羽毛時，或許可以想想，這些羽毛是否可能為你的手機、電動車，甚至是未來的太空探索提供動力？